组合电器SF6 气体压力实时监测系统的研究

2021-04-24牛田野刘亚林石生智朱红艳

科学技术创新 2021年8期

牛田野张利刘亚林石生智张华朱红艳焦澎

（国网河南省电力公司检修公司，河南郑州450000）

SF6 气体是一种人造惰性气体，具有强电负性，在均匀电场中，其绝缘强度可达到空气的2.5 倍，其灭弧能力约为空气的100 倍[1-2]。正因为具备优良的绝缘性能和灭弧性能，SF6 气体通常作为一种绝缘介质被广泛地应用于高压电气设备[3]。气体泄漏将会导致断路器发生故障，引起电力设备事故，从而导致重大经济损失[4]。因此，保证组合电器中SF6 气体压力、密度和温度等在标准规定内是确保设备安全运行的重要指标[5]。而实时监测系统无疑将会提高电气设备工作的可靠性。

1 现状分析

变电站组合电器监测的智能化程度尚未达到智能电网的要求，其中对于SF6 气体的监测手段还在使用较为传统的手工记录数据的方法。而监测气体的设备也是采用指针式压力表，并不具备数据的远程传输功能如图1。

图1 六氟化硫气体压力表

这种工作方式存在着以下几点需要改进：

1.1 工作人员手工抄录效率低，导致时间消耗大，多点作业相对所需员工也增加，同时人工作业容易产生遗漏、偏差，耗费人力物力。

1.2 手工抄录数据不利于数据的共享和保存，导致浏览数据、分析检测设备状态效率降低，且在设施编程、数据的格式上没有统一要求，形成了数据孤岛，对数据的共享形成了制约。

1.3 可能导致对突发情况处理不及时。无法实时监测，不能实时掌握设备运行状态，一旦出现故障，从发现到分析再到处理，浪费了很多宝贵时间，在故障和事故处理方面尤为被动。

2 项目主要研究内容

项目的系统框架包括四个部分：数据采集、数据传输、数据处理以及信息反馈。其中数据采集和数据传输属于硬件设备部分，数据处理和信息反馈属于技术人员部分（如图2）。

图2 系统框架

2.1 数据采集，包括温度、湿度、压力等。具体实施方案为：将组合电器的传统SF6 压力表更换为高精度的无线密度继电器，连接到开发板且配置状态采集传感器，包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器等，目的是为了实现基于物联网的SF6 气体气密状态的远程感知。

2.2 数据传输，可通过无线传输、GPRS 网络传输、5G 传输等达到在线监测，部署网络通讯网，从而实现变电站组合电器气室的SF6 气体压力实时在线监测。该模式具有延迟低、效率高等优点，能保证检测及传输系统的精度及可靠性，避免了人工抄录数据所带来的精确性差、不易长期保存等弊端。

2.3 数据处理，包括了数据的预处理、记录变化量以及统计累积量。针对监测结果得到的数据搭建并不断完善数据库，并以此为基础制作可视化的图形、列表界面或者梯形模式，可以方便快捷地对数据进行存储和管理。

2.4 信息反馈，则是由技术人员在获得监测数据后，对设备的运行状态进行评估，通过数据的积累和处理制作出一个数据变化量的监测报表，在对比分析后还应撰写评估，再根据评估结果来决定是否需要维护以及确定维护方案。

通过数据积累以及数据处理，并搭建出可靠的用户平台，具备观看实时数据、查看历史数据、进行数据分析等功能，在发现故障并制定维护、处理决策的同时，也提高了对故障发生预知的能力。

3 工作原理和设计

SF6 气体监测的标准参考数值为：在额定温度为20℃时，电气设备中SF6 气体的密度值。在电气设备工作时，SF6 气体压力不是一成不变的，会根据外界温度的变化而做出相应的改变，但如果采用密封性能良好的SF6 断路器，电气设备中SF6 气体的密度值应维持不变。所以，为了准确地判断SF6 气体密度值变化的原因，电气设备中SF6 气体应该经过温度补偿后，在温度为20℃的条件下，通过压力检测，并以压力值表示出来。

为使无线密度继电器正常运行，必须确保工作在额定压力下进行。当作业环境的温度发生改变时，电气设备中SF6 气体的压力随之改变，这时继电器内部所包含的温度补偿单元将会对变化的压力不断修正，使其额定压力示值不变，远传部分把压力信号转变RS485 差模信号，进行远距离传送。在控制室内即可监测到SF6 的压力状态。继电器还有保护和控制功能，当SF6 气体发生意外泄漏事故，压力下降，到达报警阈值时，继电器将会发出报警信息，提醒监督人员及时维护；而当事故加剧，到达闭锁阈值时，继电器将直接闭锁整套系统，停止电气设备运行，为设备的安全运行做出保障。

SF6 密度继电器无线监测的通讯原理图如图3 所示。

图3 SF6 密度继电器无线监测原理图

无线型SF6 密度继电器是具有无线通讯功能的密度继电器，该产品采用433MHZ 频段通讯，穿透性强、传输距离长，适用于变电站内的无线数据采集。无线信号由无线集中器（Wireless Hub）集中，并转换成基于RS485 总线的ModBus RTU 协议。可直接接入WELCAP 在线监测系统，也可接入到智能IED 中。为后续的SF6 气体密度在线监测系统提供实时数据。无线集中器采集数据之后，将数据直接接入站内的状态检测IED 中，由状态检测系统作为人机界面，完成各个SF6 密度继电器的数据采集、显示、统计等功能。

无线网关数量根据系统内的无线型密度继电器的数量和分布情况而定，建议每个无线网关采集50 至100 只密度继电器。

这是国网标准的智能化变电站的改造。要求符合IEC61850协议的规定，变电站设备状态在线监测系统包括SF6 气体在线监测、变压器油色谱在线监测、局放在线监测、避雷器在线监测、机械特性在线监测等。

4 技术难点及创新点

4.1 技术难点。第一，实现组合电器SF6 气体压力值的实时无线远传监测。使SF6 气体压力值具备无线远传功能，首先要做到传感器与监控模块之间的无线通信，这样才能保证数据的实时性及有效性。第二，针对监测结果搭建完善的数据库。数据库在整个系统架构中起到数据汇总和转发的作用，负责接收监控模块上传的数据，也可以由客户端直接调取数据，从而使技术人员可以方便快捷的对数据进行存储和管理。第三，客户端的搭建。建立可视化图形、列表界面或梯形模式，还应对数据进行处理，例如将组合电器SF6 气体压力值换算为年泄漏率等关键指标，设置预警阈值和区间等。

4.2 创新点。第一，实现压力值监测结果的无线远传。目前在运的组合电器，均通过传统SF6 压力表显示压力值，仅能通过人工进行抄录，不具有SF6 气体压力值实时信号输出功能。第二，基于数据库的用户平台开发。以往人工抄录的组合电器SF6气体压力值是由后台分析人员进行查看并分析的，这种方式效率低，劳动强度大，且分析过程和结果容易出现纰漏，依赖工作经验程度，不具有客观性和科学性。用户平台则可以全面地、真实地得到监测压力值，不仅有助于减少手工抄录信息的二次处理工作量，还可以减少人为错误的发生，从而进行科学地分析，最终得出科学结果。数据的透明化和可靠性还利于电器设备的规范化检查管理，避免错检、漏检，及时有效的做出设备维护检修方案。

5 效益分析

从经济效益看，该项目实施后，数据抄录、分析、运维等多个环节相应的工作人员减少，降低工人劳动强度，提高工作效益，增加间接经济效益。数据库的建立，方便对电气设备健康状况的诊断，能极大地提升在线监测及分析的自动化、智能化程度，提升工作效率，节省人力资源，创建长久的组合电器在线监测及预知维护体系。

从社会效益看，该项目可以有效地提高对在运组合电器SF6气体泄漏等缺陷、隐患的发现能力，从而可以减少事故的发生，增加安全效益。数据的对比分析还可以优化组合电器设备的布局设置，延长电器的使用寿命，提高安全性，节省社会资源。在萌芽期及时发现故障隐患，快速做出处理方案，为施工抢修提供时间保障，降低抢修成本，减小故障造成的损失，保证供电任务。